| License: Creative Commons Attribution 4.0 (2MB) |
- URN to cite this document:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-514327
- DOI to cite this document:
- 10.5283/epub.51432
| Item type: | Thesis of the University of Regensburg (PhD) |
|---|---|
| Date: | 18 January 2022 |
| Referee: | Prof. Dr. Petra Jansen |
| Date of exam: | 17 January 2022 |
| Institutions: | Human Sciences > Institut für Sportwissenschaft |
| Keywords: | Mental Rotation; Test Design, Sex Differences |
| Dewey Decimal Classification: | 100 Philosophy & psychology > 150 Psychology 700 Arts & recreation > 796 Athletic & outdoor sports & games |
| Status: | Published |
| Refereed: | Yes, this version has been refereed |
| Created at the University of Regensburg: | Yes |
| Item ID: | 51432 |
Abstract (English)
Spatial abilities support us in navigating and understanding the space that our world consists of. They are educationally relevant through their specific link to mathematical performance and STEM attainment (Xie et al., 2020). One spatial ability is the ability to imagine objects or images in different orientations in the mind. Interestingly, it seems to follow the same time-path as physical ...
Abstract (English)
Spatial abilities support us in navigating and understanding the space that our world consists of. They are educationally relevant through their specific link to mathematical performance and STEM attainment (Xie et al., 2020). One spatial ability is the ability to imagine objects or images in different orientations in the mind. Interestingly, it seems to follow the same time-path as physical rotations with a constant rotation speed and it is accordingly named mental rotation (R. N. Shepard & Metzler, 1971). There are many open questions regarding it, including the interaction with physical activity, sex differences in performance, but also how to best measure this ability. These are explored in this thesis.
In the first study, we investigated the performance during of simultaneous mental rotation and aerobic exercise. Compared with isolated mental rotation and isolated aerobic exercise, we found higher subjective cognitive and higher objective physiological effort, respectively. These are in support of neurological models describing conflicts between differing demands of implicit and explicit tasks (Dietrich & Audiffren, 2011).
In the second study, we further investigated the chronometric mental rotation test employed in the first study. Because mirrored stimuli cannot be rotated into congruence, they are typically discarded from analysis (R. N. Shepard & Metzler, 1971). We circumvented this drawback by presenting two alternatives such that congruence by rotation can be achieved in all trials. The results suggest that indeed mental rotation processes are used in all trials. The design can thus improve the analysis of accuracies while increasing power.
The first two studies both showed an improvement over time during the sessions themselves. Similarly to differing pretest performances, differing improvements within tests between different groups can impact the detection of improvements between tests due to a treatment. In the third study, we attempted to better separate these effects and investigated the statistical relevance by simulations on the dataset of the second study. The results demonstrate both the impact of within-session practice effects and the usefulness of the presented approach.
The design of the second study and the analysis of the third study were applied in the fourth study for the investigation of manual training of mental rotation. Manual rotation interventions have been proven to improve mental rotation performance but always employ a concurrent visual rotation (Adams et al., 2014; Wiedenbauer et al., 2007). By separating the congruent and causal motor activity and the visual rotation, we created three interventions. The comparison showed a similar improvement for all groups. Due to the independence of the form and occurrence of the manual activity, this suggests that it is not the motor activity but the concurrent visual rotation that leads to improvements in mental rotation tasks.
Sex differences in mental rotation performance are a topic of great interest due to the link to STEM attainment but the reasons are not clear. In the first studies, we reported some results regarding sex differences but did not investigate the underlying reasons. One suspected reason is the stimulus material (Rahe et al., 2020), which we turned to in the fifth study. As emotions are also known to influence test performance, we investigated the implicit affective evaluation of the stimuli. For the cube figures but not for the pellet figures, the mental rotation performance was significantly predicted by the implicit affective evaluation of the respective figures. Implicit attitudes could thus be a reason for varying sex differences between stimuli but need further investigation.
The large sex differences in mental rotation are, however, mostly found in the psychometric test and not in the chronometric test (Peters & Battista, 2008). As we also did not find performance differences in the fourth study for our design of the second study, we compared the designs in detail in the sixth study. The differences regarding the number of alternatives and whether the alternatives were pairwise mirrored were further experimentally investigated for their effect on sex differences. At least for the participants of main interest, the results did reveal such an effect: Sex differences were smaller when the alternatives were presented as pairwise mirrored. This indicates that sex differences are indeed at least in part due to the test design and cannot be attributed solely to mental rotation ability, which is credibly involved in all tests. The combination of the test design, the link to manual rotation, as well as neurological resources can help us better understand mental rotation ability and its’ phases. They could allow us to identify other abilities involved in solving mental rotation tests, separate these abilities, and pinpoint the reasons for sex differences.
Translation of the abstract (German)
Räumliche Fähigkeiten unterstützen uns dabei, uns im Raum zurechtzufinden und ihn zu verstehen. Durch ihren Zusammenhang mit mathematischen Leistungen und MINT-Ergebnissen sind sie auch bildungsrelevant (Xie et al., 2020). Sich Objekte oder Bilder in verschiedenen Ausrichtungen im Kopf vorzustellen ist eine dieser Fähigkeiten. Interessanterweise scheint sie demselben zeitlichen Ablauf zu folgen ...
Translation of the abstract (German)
Räumliche Fähigkeiten unterstützen uns dabei, uns im Raum zurechtzufinden und ihn zu verstehen. Durch ihren Zusammenhang mit mathematischen Leistungen und MINT-Ergebnissen sind sie auch bildungsrelevant (Xie et al., 2020). Sich Objekte oder Bilder in verschiedenen Ausrichtungen im Kopf vorzustellen ist eine dieser Fähigkeiten. Interessanterweise scheint sie demselben zeitlichen Ablauf zu folgen wie physische Rotationen mit einer konstanten Rotationsgeschwindigkeit und wird dementsprechend mentale Rotation genannt (R. N. Shepard & Metzler, 1971). In dieser Arbeit werden einige offene Fragen zu dieser Fähigkeit bezüglich der Interaktion mit körperlicher Aktivität, Geschlechtsunterschieden in der Leistung, aber auch der Messung an sich untersucht.
In der ersten Studie untersuchten wir die Leistung bei gleichzeitiger mentaler Rotation und aerobem Training. Im Vergleich zur reinen mentalen Rotation und zum reinen aeroben Training waren die subjektive kognitive und die physiologische Anstrengung höher. Dies stützt neurologische Modelle, die Konflikte zwischen unterschiedlichen Anforderungen impliziter und expliziter Aufgaben beschreiben (Dietrich & Audiffren, 2011).
In der zweiten Studie untersuchten wir den chronometrischen mentalen Rotationstest weiter. Da gespiegelte Stimuli nicht zur Kongruenz rotiert werden können, werden sie typischerweise aus der Analyse ausgeschlossen (R. N. Shepard & Metzler, 1971). Wir umgingen diesen Nachteil, indem wir zwei Alternativen präsentierten, so dass alle Stimuli zur Kongruenz rotiert werden konnten. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass dadurch mentale Rotationsprozesse tatsächlich in allen Aufgaben genutzt werden. Das Design kann somit die Analyse der Genauigkeiten verbessern und gleichzeitig die Aussagekraft erhöhen.
Die ersten beiden Studien zeigten beide eine zeitliche Verbesserung während der Tests selbst. Unterschiedliche Verbesserungen innerhalb der Tests zwischen verschiedenen Gruppen könnten die Erkennung von Verbesserungen aufgrund einer Intervention beeinflussen. In der dritten Studie versuchten wir, diese Effekte besser zu trennen und untersuchten die statistische Relevanz durch Simulationen mit dem Datensatz der zweiten Studie. Die Ergebnisse zeigen sowohl den Einfluss von Übungseffekten innerhalb einer Sitzung als auch die Nützlichkeit des vorgestellten Ansatzes.
Das Design der zweiten Studie und die Analyse der dritten Studie wurden in der vierten Studie zur Untersuchung des manuellen Trainings der mentalen Rotation angewendet. Es ist erwiesen, dass manuelle Rotationstrainings die mentale Rotationsleistung verbessern, aber immer mit einer gleichzeitigen visuellen Rotation einhergehen (Adams et al., 2014; Wiedenbauer et al., 2007). Durch die Trennung der kongruenten und kausalen motorischen Aktivität und der visuellen Rotation haben wir drei Interventionen geschaffen. Der Vergleich zeigte eine ähnliche Verbesserung für alle Gruppen. Dies deutet darauf hin, dass nicht die motorische Aktivität, sondern die gleichzeitige visuelle Rotation entscheidend für die Verbesserung der mentalen Rotationsleistung ist.
Geschlechtsunterschiede in der mentalen Rotationsleistung sind von großem Interesse, aber die Gründe dafür sind nicht klar. In den ersten Studien untersuchten wir zwar teilweise auch Geschlechtsunterschiede, aber nicht die zugrunde liegenden Gründe. Ein vermuteter Grund ist das Stimulusmaterial (Rahe et al., 2020), dem wir uns in der fünften Studie zuwandten. Da bekannt ist, dass auch Emotionen die Testleistung beeinflussen können, untersuchten wir die implizite affektive Bewertung der Stimuli. Für die Würfelfiguren, nicht aber für die Kugelfiguren, wurde die mentale Rotationsleistung signifikant durch die implizite affektive Bewertung der jeweiligen Figuren vorhergesagt. Implizite Einstellungen könnten also ein Grund für die unterschiedlichen Geschlechtsunterschiede zwischen den Stimuli sein.
Die großen Geschlechtsunterschiede finden sich jedoch hauptsächlich im psychometrischen Test und nicht im chronometrischen Test (Peters & Battista, 2008). Da wir auch in der vierten Studie keine Unterschiede für unser Design der zweiten Studie gefunden haben, haben wir in der sechsten Studie die Designs detailliert verglichen. Die Unterschiede hinsichtlich der Anzahl der Alternativen und ob die Alternativen paarweise gespiegelt wurden, wurden experimentell auf ihre Auswirkungen auf die Geschlechtsunterschiede untersucht. Zumindest für die Teilnehmer von Interesse zeigten die Ergebnisse einen solchen Effekt: Die Geschlechtsunterschiede waren geringer, wenn die Alternativen paarweise gespiegelt präsentiert wurden. Dies deutet darauf hin, dass die Geschlechtsunterschiede zumindest teilweise auf das Testdesign zurückzuführen sind und nicht allein auf die mentale Rotationsfähigkeit, die glaubhaft bei allen Tests beteiligt ist. Die Kombination aus dem Testdesign, der Verbindung zur manuellen Rotation und den neurologischen Ressourcen kann uns helfen, die mentale Rotationsfähigkeit und ihre Phasen besser zu verstehen. Sie könnten es uns ermöglichen, andere Fähigkeiten zu identifizieren, die an der Lösung von Tests zur mentalen Rotation beteiligt sind, diese Fähigkeiten zu trennen und die Gründe für Geschlechtsunterschiede zu ermitteln.
Metadata last modified: 18 Jan 2022 14:57
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